Cohetería refinada: estudiantes de Colorado crean una turbobomba de cohete, impresa en 3D

Zachary Lesan y Patrick Watson, dos ambiciosos estudiantes universitarios del programa de Ciencias de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad de Colorado (CU), se han asociado con CFturbo, Sounding Rocket Lab, SpaceX y Velo3D al objeto de conseguir desarrollar una turbobomba para cohetes económica y fiable.

Esta turbobomba está diseñada para impulsar un motor de 6,000 libras de empuje y es la primera turbobomba de ciclo con generador de gas para vuelo, diseñada y construida por ingenieros de nivel universitario en asociación con Sounding Rocket Lab e impresa en la solución de manufactura aditiva metálica de Velo3D.

EL PROBLEMA DE LOS PUNTOS DE RUPTURA

Hasta antes de la llegada del diseño para Manufactura Aditiva, las turbobombas para motores de cohete alimentados por combustibles en estado líquido, estaban formadas por varias piezas fabricadas por separado y ensambladas, lo cual generaba un punto de ruptura en cada unión.

Aprovechando las posibilidades que ofrece el diseño para manufactura aditiva, Lesan y Watson exploraron la posibilidad de imprimir porciones importantes de la turbobomba como una sola pieza unificada, con un doble objetivo: reducir el número de puntos de ruptura y reducir el peso final del conjunto pero conservando siempre la resistencia mecánica necesaria.

EL PROBLEMA DE LOS CANALES DE REFRIGERACION

Cuanta mayor velocidad adquiere un cohete, mayor es el rozamiento con el aire y por tanto mayor es el recalentamiento del motor. Esto puede constituir un verdadero problema ya que la temperatura puede provocar cambios físicos en los materiales provocando finalmente que el motor falle.

Para evitar el sobrecalentamiento, los motores cuentan con unos canales de refrigeración y en este proyecto, el diseño para manufactura aditiva les permitió integrar canales internos complejos para optimizar el flujo del fluido refrigerante y maximizar el rendimiento del motor.

LA MANUFACTURA ADITIVA, MOTOR DEL CAMBIO

El cambio del sector aeroespacial hacia la fabricación aditiva metálica promete algo más que diseños mejorados: El objetivo es combinar tantas piezas como sea posible en una sola construcción, garantizando la integridad del material, optimizando el peso y el rendimiento y acelerando la fabricación. Este enfoque es revolucionario y económicamente viable, lo cual es especialmente crítico en una industria donde los costos a menudo se disparan.

Si bien el esfuerzo de Zachary y Patrick es innovador, es cierto que no son los únicos que están aprovechando el potencial que representa la Manufactura Aditiva aplicada a la fabricación de cohetes:

Launcher Inc. (ahora parte de Vast Space LLC) ha diseñado un motor (el E-2) que se fabrica por completo en una sola pieza mediante impresión 3D, utilizando aleación de cobre.

Rocket Lab USA Inc. utiliza para su cohete Electron un motor Rutherford predominantemente impreso en 3D.

Space Exploration Technologies Corp. incorpora componentes impresos en 3D en los motores SuperDraco necesarios para el sistema de lanzamiento de la nave Dragon.

Ursa Major Technologies Inc., con sede en Colorado, destaca por ofrecer unos motores de cohete en los que la impresión 3D está presente en el 80% de las piezas.

Additive Manufacturing of missile engines: Three interesting capabilities

The rocket that blasted into space from New Zealand on May 25 was special, as it is the first to be powered by an engine made almost entirely using 3D printing. 

Members of the team behind the Electron rocket at US company RocketLab said the engine was printed in 24 hours adding that 3D printing proved to offer three interesting capabilities over traditional manufacturing techniques:

1) The ability to produce highly complicated shapes. For example, lattice structures produced in exactly the right way so that they weigh less but are just as strong as similar solid components. This creates the opportunity to produce optimised, lightweight parts that were previously impossible to manufacture economically or efficiently with traditional techniques.

2) The ability to work best for the production of relatively small, intricate parts rather than large, simple structures, where the higher material and processing costs would outweigh any advantage.

3) The ability to produce whole systems in one go rather than from lots of assembled parts. For example, NASA used it to reduce the components in one of its rocket injectors from 115 to just two.